stringtranslate.com

Ротор вертолета

Bell AH-1 SuperCobra с полужесткой несущей системой с 2-лопастным несущим винтом
Вертолет NOTAR с безвинтовым хвостовым оперением
Летающий вертолет Merlin Mk2. Этот трехмоторный вертолет имеет один большой несущий винт и меньший хвостовой винт.

На вертолете главный ротор или роторная система представляет собой комбинацию нескольких вращающихся крыльев ( лопастей ротора ) с системой управления, которая создает аэродинамическую подъемную силу, которая поддерживает вес вертолета, и тягу , которая противодействует аэродинамическому сопротивлению в прямом полете. Каждый главный ротор установлен на вертикальной мачте над верхней частью вертолета, в отличие от хвостового винта вертолета , который соединяется через комбинацию приводного вала (валов) и редукторов вдоль хвостовой балки. Шаг лопасти обычно контролируется пилотом с помощью органов управления полетом вертолета . Вертолеты являются одним из примеров винтокрылых летательных аппаратов ( винтокрылых аппаратов ). Название происходит от греческих слов helix , helik-, что означает спираль; и pteron, что означает крыло.

Принципы проектирования

Хвостовой винт Sea Lynx, меньший хвостовой винт во многих конструкциях противодействует крутящему моменту вращающегося основного винта, хотя существуют и другие решения этой проблемы, например, использование двух основных винтов, вращающихся в противоположных направлениях.

Обзор

Вертолетный ротор приводится в действие двигателем через трансмиссию на вращающуюся мачту. Мачта представляет собой цилиндрический металлический вал, который простирается вверх от трансмиссии и приводится в движение ею. Наверху мачты находится точка крепления (в просторечии называемая гайкой Иисуса ) для лопастей ротора, называемая ступицей. Затем лопасти ротора крепятся к ступице, и ступица может иметь сопротивление в 10-20 раз большее, чем лопасть. [1] Системы основного ротора классифицируются в зависимости от того, как лопасти основного ротора крепятся и движутся относительно ступицы основного ротора. Существует три основных классификации: жесткие, полужесткие и полностью шарнирные, хотя некоторые современные системы ротора используют комбинацию этих классификаций. Ротор представляет собой тонко настроенную вращающуюся массу, и различные тонкие регулировки уменьшают вибрации на разных скоростях полета. [2] Роторы предназначены для работы на фиксированных оборотах в минуту [3] [4] [5] (в узком диапазоне нескольких процентов), [6] [7] но несколько экспериментальных самолетов использовали роторы с переменной скоростью . [8]

В отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентиляторных реактивных двигателях, главный ротор вертолета имеет большой диаметр, что позволяет ему разгонять большой объем воздуха. Это позволяет снизить скорость скоса потока при заданной величине тяги. Поскольку на низких скоростях эффективнее разгонять большой объем воздуха на небольшую величину, чем небольшой объем воздуха на большую величину, [9] [10] низкая нагрузка на диск (тяга на площадь диска) значительно повышает энергоэффективность самолета, а это снижает расход топлива и обеспечивает разумную дальность полета. [11] [12] Эффективность висения («показатель качества») [13] типичного вертолета составляет около 60%. [14] Внутренняя треть длины лопасти ротора вносит очень небольшой вклад в подъемную силу из-за его низкой скорости полета. [10]

Лезвия

Взгляните на CH-53G, у которого на несущем винте 6 лопастей.

Лопасти вертолета представляют собой длинные, узкие аэродинамические профили с высоким удлинением , формой, которая минимизирует сопротивление от концевых вихрей (см. крылья планера для сравнения). Они, как правило, содержат степень вымывания , которая уменьшает подъемную силу, создаваемую на концах, где воздушный поток самый быстрый и генерация вихрей может быть значительной проблемой. Лопасти ротора изготавливаются из различных материалов, включая алюминий, композитную структуру и сталь или титан , с абразивными щитками вдоль передней кромки.

Лопасти винтокрылых машин традиционно пассивны; однако некоторые вертолеты включают активные компоненты на своих лопастях. Kaman K-MAX использует закрылки задней кромки для управления шагом лопасти, а Hiller YH-32 Hornet был оснащен прямоточными воздушно-реактивными двигателями, установленными на концах лопастей. По состоянию на 2010 год ведутся исследования активного управления лопастями с помощью закрылков задней кромки. [15] Законцовки некоторых лопастей вертолетов могут быть специально спроектированы для снижения турбулентности и шума и обеспечения более эффективного полета. Примером таких законцовок являются законцовки роторов BERP, созданных в ходе Британской экспериментальной программы роторов.

Центр

Головка ротора Bell 407

Описание простого ротора:

Полностью сочлененный

Схема полностью шарнирной головки несущего винта

Хуан де ла Сиерва разработал полностью шарнирный ротор для автожира . Основа его конструкции позволила успешно разработать вертолет. В полностью шарнирной роторной системе каждая лопасть ротора прикреплена к ступице ротора с помощью ряда шарниров, которые позволяют лопасти двигаться независимо от других. Эти роторные системы обычно имеют три или более лопастей. Лопасти могут махать, флюгировать и опережать или отставать независимо друг от друга. Горизонтальный шарнир, называемый шарниром махания , позволяет лопасти двигаться вверх и вниз. Это движение называется маханием и предназначено для компенсации асимметрии подъемной силы . Шарнир махания может быть расположен на разных расстояниях от ступицы ротора, и может быть более одного шарнира. Вертикальный шарнир, называемый шарниром опережения-запаздывания или шарниром сопротивления , позволяет лопасти двигаться вперед и назад. Это движение называется опережением-запаздыванием, волочением или охотой. Демпферы обычно используются для предотвращения избыточного движения вперед и назад вокруг шарнира сопротивления. Целью шарнира сопротивления и демпферов является компенсация ускорения и замедления, вызванных разницей в сопротивлении, испытываемом наступающими и отступающими лопастями. Более поздние модели перешли от использования традиционных подшипников к эластомерным подшипникам. Эластомерные подшипники по своей природе отказоустойчивы, а их износ постепенен и заметен. Контакт металла с металлом старых подшипников и необходимость в смазке устранены в этой конструкции. Третий шарнир в полностью сочлененной системе называется шарниром флюгера вокруг оси флюгера. Этот шарнир отвечает за изменение шага лопастей ротора, возбуждаемого посредством пилотного ввода в коллективный или циклический.

Разновидностью полностью сочлененной системы является система ротора soft-in-plane . Этот тип ротора можно найти на нескольких самолетах, производимых Bell Helicopter, таких как OH-58D Kiowa Warrior . Эта система похожа на полностью сочлененный тип тем, что каждая лопасть имеет возможность опережать/отставать и охотиться независимо от других лопастей. Разница между полностью сочлененной системой и системой soft-in-plane заключается в том, что система soft-in-plane использует композитную траверсу. Эта траверса прикреплена к мачте и проходит через захваты лопастей между лопастями и сдвиговым подшипником внутри захвата. Эта траверса действительно передает некоторое движение одной лопасти другой, обычно противоположным лопастям. Хотя это не полностью сочлененная система, летные характеристики очень похожи, а время и стоимость обслуживания сокращаются.

Жесткий

Термин «жесткий ротор» обычно относится к системе ротора без шарниров [16] [17] с лопастями, гибко прикрепленными к ступице. Ирв Калвер из Lockheed разработал один из первых жестких роторов, который был испытан и разработан на серии вертолетов в 1960-х и 1970-х годах. В системе жесткого ротора каждая лопасть машет и волочится по гибким секциям корня. Система жесткого ротора механически проще, чем полностью шарнирная система ротора. Аэродинамические и механические нагрузки от махания и сил опережения/запаздывания компенсируются за счет изгиба лопастей ротора, а не через шарниры. Изгибая, лопасти сами компенсируют силы, которые ранее требовали прочных шарниров. Результатом является система ротора, которая имеет меньшую задержку в реакции управления из-за большого момента ступицы, который обычно создается. [18] Таким образом, система жесткого ротора устраняет опасность удара мачты, присущую полужестким роторам. [19]

Полужесткий

Bell 205 с полужестким ротором и стабилизатором поперечной устойчивости

Полужесткий ротор также может называться качающимся или качели-ротором. Эта система обычно состоит из двух лопастей, которые встречаются прямо под общим шарниром махания или качания на валу ротора. Это позволяет лопастям махать вместе в противоположных движениях, как качели . Такое подвешивание лопастей под качающимся шарниром в сочетании с адекватным двугранным или конусным углом на лопастях минимизирует изменения радиуса центра масс каждой лопасти от оси вращения при повороте ротора, что, в свою очередь, снижает нагрузку на лопасти от сил опережения и отставания, вызванных эффектом Кориолиса . Вторичные маховые шарниры также могут использоваться для обеспечения достаточной гибкости, чтобы минимизировать подпрыгивание. Оперение осуществляется шарниром оперения у основания лопасти, что позволяет изменять угол наклона лопасти.

Комбинация

Современные роторные системы могут использовать комбинированные принципы роторных систем, упомянутых выше. Некоторые роторные ступицы включают гибкую ступицу, которая позволяет изгибать лопасти (изгибать) без необходимости в подшипниках или шарнирах. Эти системы, называемые флексурами , [20] обычно изготавливаются из композитного материала. Эластомерные подшипники также могут использоваться вместо обычных роликовых подшипников . Эластомерные подшипники изготавливаются из материала типа резины и обеспечивают ограниченное движение, что идеально подходит для применения в вертолетах. Флексуры и эластомерные подшипники не требуют смазки и, следовательно, требуют меньшего обслуживания. Они также поглощают вибрацию, что означает меньшую усталость и более длительный срок службы для компонентов вертолета.

Пластина наклона

Управление циклически изменяет шаг лопастей основного винта в течение вращения. Пилот использует это для управления направлением вектора тяги винта , который определяет часть диска винта, где развивается максимальная тяга. Общий шаг изменяет величину тяги винта, увеличивая или уменьшая тягу по всему диску винта одновременно. Эти изменения шага лопастей контролируются наклоном, подъемом или опусканием тарелки автомата перекоса с помощью органов управления полетом. Подавляющее большинство вертолетов поддерживают постоянную скорость вращения винта (RPM) во время полета, оставляя угол атаки лопастей единственным средством регулировки тяги от винта.

Автомат перекоса представляет собой два концентрических диска или пластины. Одна пластина вращается вместе с мачтой, соединенная холостыми звеньями, а другая не вращается. Вращающаяся пластина также соединена с отдельными лопастями через звенья шага и качалки шага. Невращающаяся пластина соединена со звеньями, которые управляются органами управления пилота, в частности, общим и циклическим управлением. Автомат перекоса может смещаться по вертикали и наклоняться. С помощью смещения и наклона невращающаяся пластина управляет вращающейся пластиной, которая, в свою очередь, управляет отдельным шагом лопасти.

Полужесткая головка ротора с флайбаром

Флайбар (стабилизатор поперечной устойчивости)

Ряд инженеров, среди которых Артур М. Янг в США и радиоуправляемый авиамоделист Дитер Шлютер в Германии, обнаружили, что устойчивость полета вертолетов может быть достигнута с помощью стабилизатора или флайбара. Флайбар имеет груз или лопасть (или и то, и другое для дополнительной устойчивости на небольших вертолетах) на каждом конце для поддержания постоянной плоскости вращения. Благодаря механическим связям устойчивое вращение стержня смешивается с движением автомата перекоса, чтобы демпфировать внутренние (рулевые), а также внешние (ветер) силы на роторе. Это облегчает пилоту сохранение контроля над самолетом. Стэнли Хиллер пришел к похожему методу улучшения устойчивости, добавив короткие короткие аэродинамические профили, или лопасти, на каждом конце. Однако система «Rotormatic» Хиллера также передавала циклические управляющие входы на основной ротор как своего рода управляющий ротор, а лопасти обеспечивали дополнительную устойчивость, демпфируя воздействие внешних сил на ротор.

В роторной системе Lockheed использовался управляющий гироскоп, по принципу действия аналогичный стабилизатору Bell, но разработанный как для обеспечения устойчивости без ручного управления, так и для быстрого реагирования на управление бесшарнирной роторной системы.

В вертолетах с дистанционным управлением или моделях с дистанционным управлением (RC) микроконтроллер с гироскопическими датчиками и датчиком Вентури может заменить стабилизатор. Такая конструкция без флайбара имеет преимущество в виде легкой перенастройки и меньшего количества механических деталей.

Замедленный ротор

Большинство винтов вертолетов вращаются с постоянной скоростью. Однако замедление ротора в некоторых ситуациях может принести пользу.

По мере увеличения скорости движения вперед скорость конца наступающего ротора вскоре приближается к скорости звука . Чтобы уменьшить проблему, скорость вращения можно замедлить, что позволит вертолету лететь быстрее.

Для регулировки подъемной силы ротора на более низких скоростях в обычной конструкции угол атаки лопастей ротора уменьшается с помощью управления общим шагом. Замедление ротора вместо этого может уменьшить сопротивление во время этой фазы полета и, таким образом, улучшить экономию топлива.

Конфигурации ротора

Антикрутящий момент : воздействие крутящего момента на вертолет

Большинство вертолетов имеют один несущий винт, но требуют отдельного винта для преодоления крутящего момента. Это достигается с помощью рулевого винта с изменяемым шагом или хвостового винта. Это конструкция, которую Игорь Сикорский остановился на своем вертолете VS-300 , и она стала признанной конвенцией для вертолетного дизайна, хотя конструкции различаются. Если смотреть сверху, большинство американских вертолетных винтов вращаются против часовой стрелки; французские и российские вертолеты вращаются по часовой стрелке. [21]

Другим типом винтокрылого аппарата является конвертоплан , который имеет много общего с несущими винтами вертолета в режиме создания подъемной силы .

Один несущий винт

Sikorsky S-72, модифицированный как испытательный стенд X-Wing, с экспериментальным 4-лопастным несущим винтом

В вертолете с одним несущим винтом создание крутящего момента при вращении ротора двигателем создает эффект крутящего момента , который заставляет корпус вертолета поворачиваться в противоположном направлении ротора. Чтобы устранить этот эффект, необходимо использовать некое управление антикрутящим моментом с достаточным запасом мощности, чтобы вертолет мог сохранять курс и обеспечивать управление рысканием. Три наиболее распространенных элемента управления, используемых сегодня, — это хвостовой винт, Fenestron компании Eurocopter (также называемый fantail ) и NOTAR компании MD Helicopters .

Количество роторов также важно, многие вертолеты имеют два ротора в одной линии, а другая конфигурация - 4 ротора. [22] Примером двухлопастного ротора является Bell 212 , а четырехлопастная версия этого вертолета - Bell 412. [23] Примером влияния количества лопастей ротора является UH-72 ( вариант EC145 ) ; модель A имела четыре лопасти, но UH-72B был заменен на пять лопастей, что уменьшило вибрацию. [24] Возможны и другие количества лопастей, например, CH-53K , большой военно-транспортный вертолет, имеет семилопастной несущий винт. [25]

Хвостовой винт

Хвостовой винт — это меньший ротор, установленный таким образом, что он вращается вертикально или почти вертикально на конце хвоста традиционного одновинтового вертолета. Положение хвостового винта и расстояние от центра тяжести позволяют ему развивать тягу в направлении, противоположном вращению основного винта, тем самым противодействуя эффекту крутящего момента, создаваемому основным винтом. Хвостовые винты проще основных винтов, поскольку для изменения тяги им требуется только коллективное изменение шага. Шаг лопастей хвостового винта регулируется пилотом с помощью педалей противодействия крутящему моменту, которые также обеспечивают управление направлением, позволяя пилоту вращать вертолет вокруг его вертикальной оси, тем самым изменяя направление, в котором направлено судно.

Канальный вентилятор

Фенестрон на EC  120B

Fenestron и FANTAIL [26] — торговые марки для канального вентилятора, устанавливаемого на конце хвостовой балки вертолета и используемого вместо хвостового винта. Канальные вентиляторы имеют от восьми до восемнадцати лопастей, расположенных с неравномерным интервалом, так что шум распределяется по разным частотам. Корпус является неотъемлемой частью обшивки самолета и обеспечивает высокую скорость вращения; поэтому канальный вентилятор может иметь меньший размер, чем обычный хвостовой винт.

Fenestron был впервые использован в конце 1960-х годов на второй экспериментальной модели SA 340 компании Sud Aviation и производился на более поздней модели Aérospatiale SA 341 Gazelle . Помимо Eurocopter и его предшественников, хвостовой винт с канальным вентилятором также использовался на отмененном проекте военного вертолета RAH-66 Comanche армии США под обозначением FANTAIL.

НОТАРИУС

NOTAR, аббревиатура от no ta il rotor , — это система противодействия крутящему моменту вертолета, которая исключает использование хвостового винта на вертолете. Хотя концепция заняла некоторое время для доработки, система NOTAR проста в теории и обеспечивает противодействие крутящему моменту так же, как крыло создает подъемную силу, используя эффект Коанда . [27] Вентилятор с изменяемым шагом заключен в хвостовой части фюзеляжа непосредственно перед хвостовой балкой и приводится в действие трансмиссией основного винта. Чтобы обеспечить боковую силу для противодействия крутящему моменту по часовой стрелке, создаваемому вращающимся против часовой стрелки основным винтом (если смотреть сверху основного винта), вентилятор с изменяемым шагом нагнетает воздух низкого давления через два слота на правой стороне хвостовой балки, заставляя нисходящий поток от основного винта охватывать хвостовую балку, создавая подъемную силу и, таким образом, меру противодействия крутящему моменту, пропорциональную количеству воздушного потока от струи ротора. Это дополняется прямым реактивным двигателем, который также обеспечивает управление по курсу, а также наличием хвостового оперения с неподвижной поверхностью вблизи конца хвоста, включающего вертикальные стабилизаторы.

Разработка системы NOTAR началась в 1975 году, когда инженеры Hughes Helicopters начали работу по разработке концепции. [27] В декабре 1981 года Hughes впервые поднялся в воздух на OH-6A , оснащенном NOTAR. [28] Более сильно модифицированный демонстрационный прототип впервые поднялся в воздух в марте 1986 года и успешно завершил расширенную программу летных испытаний, подтвердив возможность использования системы в будущем при проектировании вертолетов. [29] В настоящее время существует три серийных вертолета, в которых используется конструкция NOTAR, все они произведены MD Helicopters. Такая конструкция противовращающего момента также повышает безопасность, исключая возможность попадания персонала в хвостовой винт.

Вертолеты MD 520N NOTAR

Предшественником (своего рода) этой системы был британский вертолет Cierva W.9 , самолет конца 1940-х годов, использовавший охлаждающий вентилятор поршневого двигателя для проталкивания воздуха через сопло, встроенное в хвостовую балку, для противодействия крутящему моменту несущего винта. [30]

Сопла наконечников

Главный ротор может приводиться в действие концевыми струями. Такая система может работать на воздухе высокого давления, подаваемом компрессором. Воздух может смешиваться или не смешиваться с топливом и сжигаться в прямоточных воздушно-реактивных двигателях, импульсных воздушно-реактивных двигателях или ракетах. Хотя этот метод прост и устраняет реакцию крутящего момента, построенные прототипы менее экономичны, чем обычные вертолеты. За исключением концевых струй, приводимых в действие несгоревшим сжатым воздухом, очень высокий уровень шума является единственной наиболее важной причиной, по которой роторы с концевыми струями не получили широкого распространения. Однако исследования в области подавления шума продолжаются и могут помочь сделать эту систему жизнеспособной.

Существует несколько примеров винтокрылых аппаратов с реактивными концевыми соплами. Percival P.74 был недостаточно мощным и не мог летать. Hiller YH-32 Hornet имел хорошую грузоподъемность, но в остальном работал плохо. Другие самолеты использовали вспомогательную тягу для поступательного полета, чтобы реактивные концевые сопла могли быть выключены, пока ротор авторотировался. Экспериментальный Fairey Jet Gyrodyne , 48-местные пассажирские прототипы Fairey Rotodyne и составные автожиры McDonnell XV-1 хорошо летали, используя этот метод. Возможно, самой необычной конструкцией этого типа был Rotary Rocket Roton ATV , который изначально предполагалось взлетать с помощью ротора с ракетным наконечником. Французский Sud-Ouest Djinn использовал несгоревший сжатый воздух для привода ротора, что минимизировало шум и помогло ему стать единственным вертолетом с реактивным ротором, запущенным в производство. Hughes XH-17 имел ротор с реактивным концевым приводом, который остается самым большим ротором, когда-либо установленным на вертолете.

Двойные роторы

Боинг CH-47 Чинук

Двойные роторы вращаются в противоположных направлениях, чтобы противодействовать эффекту крутящего момента на самолете, не полагаясь на хвостовой винт с противодействующим моментом. Это позволяет самолету применять мощность, которая привела бы в движение хвостовой винт, к основным роторам, увеличивая грузоподъемность. В первую очередь, три распространенные конфигурации используют эффект противовращения на винтокрылых аппаратах. Тандемные роторы — это два ротора, один из которых установлен позади другого. Соосные роторы — это два ротора, установленные один над другим на одной оси. Взаимозацепляющиеся роторы — это два ротора, установленные близко друг к другу под достаточным углом, чтобы роторы могли зацепляться над верхней частью самолета. Другая конфигурация, встречающаяся на конвертопланах и некоторых ранних вертолетах, называется поперечными роторами, где пара роторов установлена ​​на каждом конце конструкции типа крыла или аутригера.

Тандем

Тандемные роторы представляют собой два горизонтальных узла несущего винта, установленных один за другим. Тандемные роторы изменяют положение тангажа для ускорения и замедления вертолета с помощью процесса, называемого циклическим шагом. Для наклона вперед и ускорения оба ротора увеличивают шаг сзади и уменьшают шаг спереди (циклический), сохраняя крутящий момент одинаковым на обоих роторах, полет вбок достигается путем увеличения шага с одной стороны и уменьшения шага с другой. Управление рысканием осуществляется за счет противоположного циклического шага в каждом роторе. Для поворота вправо передний ротор наклоняется вправо, а задний ротор наклоняется влево. Для поворота влево передний ротор наклоняется влево, а задний ротор наклоняется вправо. Вся мощность ротора способствует подъемной силе, и проще обрабатывать изменения центра тяжести вперед-назад. Однако это требует затрат на два больших ротора, а не на более распространенный один большой основной ротор и гораздо меньший хвостовой ротор. Boeing CH-47 Chinook является наиболее распространенным вертолетом с тандемными роторами.

Коаксиальный

Вертолет Ка-50 ВВС России с соосными несущими винтами

Коаксиальные роторы представляют собой пару роторов, установленных один над другим на одном валу и вращающихся в противоположных направлениях. Преимущество коаксиального ротора заключается в том, что в прямом полете подъемная сила, создаваемая наступающими половинами каждого ротора, компенсирует отступающую половину другого, устраняя один из ключевых эффектов асимметрии подъемной силы: срыв отступающей лопасти . Однако другие конструктивные соображения мешают коаксиальным роторам. Существует повышенная механическая сложность роторной системы, поскольку она требует связей и автоматов перекоса для двух роторных систем. Кроме того, поскольку роторы должны вращаться в противоположных направлениях, мачта становится более сложной, а управляющие связи для изменения шага верхней роторной системы должны проходить через нижнюю роторную систему.

Примером соосной конструкции в составном вертолете был Sikorsky Skyraider X , который также имел толкающий винт сзади. [31]

Переплетение

Взаимозацепляющиеся два ротора Kaman K-Max
Видео вертолета K-Max в полете, демонстрирующее движение несущих винтов

Взаимозацепляющиеся роторы на вертолете представляют собой набор из двух роторов, вращающихся в противоположных направлениях, причем каждая мачта ротора установлена ​​на вертолете под небольшим углом к ​​другой, так что лопасти взаимодействуют, не сталкиваясь. Эту конфигурацию иногда называют синхроптером. Взаимозацепляющиеся роторы обладают высокой устойчивостью и мощной подъемной способностью. Такая компоновка была впервые применена в нацистской Германии в 1939 году с успешным проектом Антона Флеттнера Flettner Fl 265 , а затем запущена в ограниченное производство как успешный Flettner Fl 282 Kolibri , использовавшийся немецкими Кригсмарине в небольших количествах (выпущено 24 самолета) в качестве экспериментального легкого вертолета для борьбы с подводными лодками . Во время холодной войны американская компания Kaman Aircraft производила HH-43 Huskie для пожаротушения и спасательных операций ВВС США . Последняя модель Kaman, Kaman K-MAX , представляет собой специальную конструкцию небесного крана.

Поперечный

Поперечные роторы устанавливаются на концах крыльев или выносных опор перпендикулярно корпусу самолета. Подобно тандемным роторам и взаимозацепляющимся роторам, поперечный ротор также использует дифференциальный общий шаг. Но, как и взаимозацепляющиеся роторы, поперечные роторы используют концепцию изменения положения крена винтокрылого аппарата. Эта конфигурация встречается на двух из первых жизнеспособных вертолетов, Focke-Wulf Fw 61 и Focke-Achgelis Fa 223 , а также на самом большом в мире вертолете, когда-либо построенном, Mil Mi-12 . Это также конфигурация, встречающаяся на конвертопланах, таких как Bell-Boeing V-22 Osprey и AgustaWestland AW609 .

Четырехроторный

вертолет де Ботеза , 1923 год, фото
Кертисс-Райт VZ-7

Квадрокоптер или квадрокоптер состоит из четырех роторов в конфигурации «X». Роторы слева и справа имеют поперечную конфигурацию, а роторы спереди и сзади имеют тандемную конфигурацию.

Преимуществом квадрокоптеров на небольших самолетах, таких как дроны, является возможность механической простоты. Квадрокоптер, использующий электродвигатели и роторы с фиксированным шагом, имеет только четыре движущиеся части. Тангаж, рыскание и крен можно контролировать, изменяя относительную подъемную силу различных пар роторов без изменения общей подъемной силы. [32]

Два семейства аэродинамических профилей:

Симметричные лопасти очень устойчивы, что помогает свести к минимуму скручивание лопасти и нагрузки на управление полетом. Эта устойчивость достигается за счет того, что центр давления остается практически неизменным при изменении угла атаки. Центр давления — это воображаемая точка на хорде, где, как считается, сосредоточена равнодействующая всех аэродинамических сил. Сегодня конструкторы используют более тонкие аэродинамические профили и добиваются необходимой жесткости за счет использования композитных материалов.

Некоторые аэродинамические профили имеют асимметричную конструкцию, то есть верхняя и нижняя поверхности не имеют одинакового изгиба. Обычно эти аэродинамические профили не были бы такими же устойчивыми, но это можно исправить, согнув заднюю кромку, чтобы получить те же характеристики, что и симметричные аэродинамические профили. Это называется «рефлексией». Использование этого типа лопасти ротора позволяет системе ротора работать на более высоких поступательных скоростях. Одна из причин, по которой асимметричная лопасть ротора не так устойчива, заключается в том, что центр давления изменяется с изменением угла атаки. Когда центр подъемной силы давления находится позади точки поворота на лопасти ротора, это приводит к тому, что диск ротора имеет тенденцию к наклону вверх. По мере увеличения угла атаки центр давления перемещается вперед. Если он перемещается впереди точки поворота, наклон диска ротора уменьшается. Поскольку угол атаки лопастей ротора постоянно меняется во время каждого цикла вращения, лопасти имеют тенденцию к маханию, флюгерированию, опережению и отставанию в большей степени. [33]

Mk3 Speeder, показанный здесь в полете в 2021 году

Гексакоптеры, мультикоптеры и eVTOL

Гексакоптер — популярная конфигурация для беспилотных вертолетов-дронов, и были изучены способы управления и улучшения контроля многороторных дронов. [34] Конфигурация октокоптера используется, в частности, в запланированном NASA зонде Dragonfly , предназначенном для полетов в атмосфере спутника Сатурна Титана . [ 35]

Пилотируемый многороторный вертолет, летавший в 2010-х годах, имел 18 винтов с электрическим приводом; одноместный самолет питается от аккумуляторов. [36]

Первый пилотируемый беспилотный летательный аппарат, как называют этот тип многороторного вертолета с электрическим приводом, имел 12 винтов и мог перевозить 1-2 человек. [37]

Пилотируемые беспилотные летательные аппараты (eVTOL), как их обычно называют, — это многороторные конструкции, работающие на аккумуляторах, которые приобрели все большую популярность и конструкции в 2020-х годах. [38]

Наименование некоторых проектов еще не полностью устоялось, популярным названием является eVTOL, также используются названия пилотируемых беспилотников, летающих автомобилей и, в некоторых случаях, воздушных такси. [39] [37]

Что касается воздушного судна, то FAA работало над совершенствованием правил, касающихся конструкций eVTOL, которые ориентированы на традиционные вертолеты и самолеты, но в 2024 году завершило разработку критериев летной годности, поскольку оно решает, как классифицировать и сертифицировать эти типы воздушных судов в Соединенных Штатах. [40]

Ограничения и опасности

Примеры опасностей, с которыми сталкиваются вертолеты, включают те, которые распространены для самолетов, такие как столкновение с птицами , но также и ряд других в зависимости от конструкции вертолета и условий. Это включает, но не ограничивается: Динамическое опрокидывание , Резонанс земли , Потеря эффективности хвостового винта , Срыв отступающей лопасти , Динамический срыв , Состояние вихревого кольца , Прозрачность сервопривода , Удар хвостом и т. д .

Поскольку основной ротор жизненно важен для удержания вертолета в воздухе, любое его повреждение может иметь катастрофические последствия. Поскольку кончик обычно является самым дальним концом, вертолеты, летящие в строю, должны быть осторожны, чтобы сохранять дистанцию ​​и не касаться кончиков или хвостовых винтов или окружающей среды.

Вид сзади на R66, 2011 г.

Удары мачт, столкновения ротора со штангой и удары хвостовой части

В конце 1960-х годов армия США обнаружила опасность удара основного винта о хвост вертолета в определенных аэродинамических условиях. Особенно в случаях, когда вес вертолета не нагружается основным винтом в условиях низкой гравитации. В этом случае входные данные для управления могут создать опасную ситуацию или, возможно, разрешить ее. [41]

В частности, вертолеты с качающимися роторами — например, двухлопастная система на Bell , Robinson и других — не должны подвергаться воздействию условий низкой гравитации , поскольку такие системы роторов не контролируют положение фюзеляжа. Это может привести к тому, что фюзеляж примет положение, контролируемое импульсом и тягой хвостового винта, что приведет к пересечению хвостовой балки с плоскостью траектории законцовки основного винта или к соприкосновению корней лопастей с приводным валом основного винта, что приведет к отделению лопастей от ступицы (удару мачты). [42] В 2020-х годах Robinson разработал новое хвостовое оперение для R66, чтобы снизить вероятность такого типа аварий. [41] Два университетских исследования основного ротора Robinson, одно из которых было проведено Georgia Tech, а другое — University of Maryland, не обнаружили, что конструкция ротора более восприимчива к условиям низкой гравитации, чем другие качающиеся конструкции, и это соответствует продолжающемуся исследованию Robinson его конструкции. Тем не менее, в 2020-х годах Robinson придумал новое оперение для повышения устойчивости к крену на высокой скорости, и это было одобрено FAA в 2023 году. Robinson надеется внедрить эту модернизацию в другие свои модели, хотя маневры с низкой гравитацией остаются запрещенными. [41] Маневры с низкой гравитацией запрещены в конструкциях Robinson даже для демонстраций. [41]

Столкновение хвостового винта и хвостовой балки представляет опасность, и в одном из случаев считается, что резкое управление после столкновения с птицей на Bell 206 привело к столкновению винта и балки, в результате чего вертолет развалился в полете. [43] Другим примером столкновения несущего винта с хвостовой балкой стал EC120 , который отрезал себе хвост во время жесткой посадки, вызванной практикой авторотации. [44]

Вертолеты могут быть уязвимы к ударам хвостовой балки об окружающие предметы, особенно когда они находятся близко к земле в незнакомых местах посадки. [45]

Абразивность в песчаной среде

Эффект Коппа–Этчелла

При работе в песчаных средах песок, попадающий на движущиеся лопасти ротора, разъедает их поверхность. Это может повредить роторы и привести к серьезным и дорогостоящим проблемам обслуживания. [46]

Абразивные полосы на лопастях ротора вертолета сделаны из металла, часто титана или никеля , которые очень твердые, но менее твердые, чем песок. Когда вертолет летит низко над землей в пустынных условиях, песок, ударяющий о лопасть ротора, может вызвать эрозию. Ночью песок, ударяющий о металлическую абразивную полосу, вызывает видимую корону или ореол вокруг лопастей ротора. Эффект вызван пирофорным окислением эродированных частиц и триболюминесценцией [ требуется ссылка ] , при которой удар о частицы песка вызывает фотолюминесценцию. [47] [48] [49]

Фотограф и журналист Майкл Йон наблюдал этот эффект, сопровождая американских солдат в Афганистане. Когда он обнаружил, что у этого эффекта нет названия, он придумал название « эффект Коппа-Этчелла» в честь двух солдат, погибших на войне, одного американца и одного британца. [50]

История

Использование ротора для вертикального полета существовало с 400 г. до н. э. в форме бамбукового вертолета , древней китайской игрушки. [51] [52] Бамбуковый вертолет вращается путем вращения палки, прикрепленной к ротору. Вращение создает подъемную силу, и игрушка летит, когда ее отпускают. [51] В книге философа Гэ Хуна « Баопузи» («Мастер, который принимает простоту»), написанной около 317 г., описывается апокрифическое использование возможного ротора в летательных аппаратах: «Некоторые сделали летающие машины [feiche 飛車] из древесины из внутренней части дерева унаби, используя бычью кожу (ремни), прикрепленную к возвращающимся лопастям, чтобы привести машину в движение». [53] Леонардо да Винчи спроектировал машину, известную как «воздушный винт» с ротором на основе водяного винта . Русский эрудит Михаил Ломоносов разработал ротор на основе китайской игрушки. Французский натуралист Кристиан де Лонуа построил свой ротор из перьев индейки. [51] Сэр Джордж Кейли , вдохновленный китайской игрушкой в ​​детстве, создал несколько вертикальных летательных аппаратов с роторами, сделанными из листов жести. [51] Альфонс Пено позже, в 1870 году, разработал игрушечный вертолет с соосным ротором, приводимый в движение резиновыми лентами. Одна из этих игрушек, подаренная их отцом, вдохновила братьев Райт на осуществление мечты о полете. [54]

Первый автожир, успешно полетевший в 1923 году, изобретен Хуаном де ла Сьервой .

До разработки практических вертолетов с двигателем в середине 20-го века, пионер автожира Хуан де ла Сьерва исследовал и разработал многие из основ роторного крыла. Де ла Сьерва приписывают успешную разработку многолопастных, полностью сочлененных роторных систем. Эти системы, в их различных модифицированных формах, являются основой большинства современных многолопастных вертолетных роторных систем. Работа над автожиром формирует основу для анализа вертолетов. [55]

Первая успешная попытка создания вертолета с одним подъемным винтом использовала четырехлопастный несущий винт, разработанный советскими авиационными инженерами Борисом Н. Юрьевым и Алексеем М. Черемухиным, которые оба работали в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) под Москвой в начале 1930-х годов. Их вертолет ЦАГИ 1-ЭА смог летать на испытаниях на малой высоте в 1931–32 годах, причем Черемухин поднял его на высоту 605 метров (1985 футов) к середине августа 1932 года. [56] [57]

В 1930-х годах Артур Янг улучшил устойчивость двухлопастных роторных систем, внедрив стабилизатор. Эта система использовалась в нескольких моделях вертолетов Bell и Hiller . Вариант системы Hiller с использованием аэродинамических лопастей на концах флайбара использовался во многих самых ранних конструкциях моделей вертолетов с дистанционным управлением , с момента их появления в 1970-х годах и до самого начала 21-го века.

В конце 1940-х годов изготовление лопастей вертолетных винтов вдохновило Джона Т. Парсонса стать пионером числового программного управления (ЧПУ). ЧПУ и ЧПУ (компьютеризированное числовое управление) оказались важной новой технологией, которая впоследствии повлияла на все отрасли машиностроения .

Airspeeder MK3 в испытательном полете в Южной Австралии (2021)

Ссылки

  1. ^ Харрис, Франклин Д. «Характеристики ротора при высокой скорости вращения: теория против испытаний. Архивировано 18 февраля 2013 г. в Wayback Machine », стр. 119 NASA /CR—2008–215370, октябрь 2008 г. Дата обращения: 13 апреля 2014 г.
  2. ↑ Head, Elan (апрель 2015 г.). «Лучшая трасса и баланс». Vertical Magazine . стр. 38. Архивировано из оригинала 11 апреля 2015 г. Получено 11 апреля 2015 г.
  3. ^ Краучер, Фил. Профессиональные исследования пилотов вертолетов, стр. 2-11. ISBN 978-0-9780269-0-5 . Цитата: [Скорость вращения ротора] «постоянна в вертолете». 
  4. ^ Седдон, Джон; Ньюман, Саймон (2011). Основы аэродинамики вертолета . John Wiley and Sons. стр. 216. ISBN 978-1-119-99410-7. Ротор лучше всего вращается с постоянной скоростью вращения ротора.
  5. ^ Роберт Бекхузен. «Армия отказывается от всевидящего вертолетного дрона» Wired 25 июня 2012 г. Дата обращения: 12 октября 2013 г. Архивировано 22 апреля 2015 г. Цитата: Количество оборотов в минуту также установлено на фиксированной скорости
  6. ^ UH -60 допускает 95–101% оборотов ротора Пределы UH-60 Архивировано 18 августа 2016 г. на Wayback Machine US Army Aviation . Доступ: 2 января 2010 г.
  7. ^ Trimble, Stephen (3 июля 2008 г.). «DARPA’s Hummingbird unmanned helicopter comes of age» (беспилотный вертолет Hummingbird от DARPA). FlightGlobal . Архивировано из оригинала 14 мая 2014 г. Получено 14 мая 2014 г. Скорость вращения ротора типичного вертолета может варьироваться в пределах 95–102%.
  8. ^ Датта, Анубхав и др. Экспериментальное исследование и фундаментальное понимание замедленного ротора UH-60A при высоких передаточных числах, стр. 2. NASA ARC-E-DAA-TN3233, 2011. Заголовок получен: май 2014 г. Размер: 26 страниц в 2 МБ
  9. ^ Пол Бевилаква  : Система привода подъемного вентилятора с валом для истребителя Joint Strike Fighter. Архивировано 05.06.2011 на странице 3 Wayback Machine. Представлено 1 мая 1997 г. Документ DTIC.MIL Word, 5,5 МБ. Доступ: 25 февраля 2012 г.
  10. ^ ab Bensen, Igor . "Как они летают - Бенсен объясняет все. Архивировано 09.01.2015 на Wayback Machine " Gyrocopters UK . Доступ: 10 апреля 2014 г.
  11. ^ Джонсон, Уэйн. Теория вертолета, стр. 3+32, Courier Dover Publications , 1980. Доступ: 25 февраля 2012 г. ISBN 0-486-68230-7 
  12. ^ Веслав Зенон Степневски, CN Keys. Аэродинамика роторного крыла, стр. 3, Courier Dover Publications , 1979. Дата обращения: 25 февраля 2012 г. ISBN 0-486-64647-5 
  13. ↑ Джексон, Дэйв. «Фигура заслуги» Unicopter , 16 декабря 2011 г. Получено: 22 мая 2015 г. Архивировано 26 ноября 2013 г.
  14. ^ Уиттл, Ричард. «Это птица! Это самолет! Нет, это самолеты, которые летают как птицы!» Архивировано 01.05.2015 в Wayback Machine « Breaking Defense » , 12 января 2015 г. Дата обращения: 17 января 2015 г.
  15. ^ Mangeot et al. Новые приводы для аэрокосмической промышленности Архивировано 14 июля 2011 г. в Wayback Machine Noliac . Получено: 28 сентября 2010 г.
  16. ^ Лэндис, Тони и Дженкинс, Деннис Р. Lockheed AH-56A Cheyenne - WarbirdTech Том 27 , стр. 5. Specialty Press, 2000. ISBN 1-58007-027-2 . 
  17. ^ "Модель 286". Архивировано из оригинала 2016-03-04 . Получено 2010-07-07 .
  18. ^ Коннор, Р. Lockheed CL-475". Смитсоновский национальный музей авиации и космонавтики. Пересмотрено 15 августа 2002 г. Доступно на archive.org 3 сентября 2007 г. Исходная ссылка Архивировано 07.07.2007 на Wayback Machine .
  19. ^ Кокс, Тейлор. «Лезвия и подъемная сила». Helis.com. Получено: 10 марта 2007 г.
  20. ^ Служба стандартов полетов FAA 2001
  21. ^ Уоткинсон, Джон (2004). Искусство вертолета . Оксфорд: Elsevier Butterworth-Heinemann. С. 141. ISBN 9780080472034.
  22. ^ "BELL 412EP". Air Center Helicopters - Expeditionary Aviation . Получено 2024-04-30 .
  23. ^ "Bell 212: От военных корней, солдаты-вертолеты прошлого | Aviation Week Network". Aviationweek.com . Получено 2024-04-30 .
  24. ^ "Новая рабочая лошадка армейской гвардии: Airbus UH-72B". Vertical Mag . Получено 2024-04-30 .
  25. ^ Теглер, Эрик. «Новый вертолет CH-53K морской пехоты поставляется с «помощью водителя»». Forbes . Получено 30 апреля 2024 г.
  26. ^ Альпман, Эмре и Лонг, Лайл Н. «Понимание антикрутящего момента и путевого управления с обтекаемым ротором: характеристики, часть II: нестационарное моделирование». Архивировано 2 апреля 2015 г. в журнале Wayback Machine Journal of Aircraft, том 41, № 6, ноябрь–декабрь 2004 г.
  27. ^ ab Frawley 2003, стр. 151.
  28. ^ "NOTAR Fleet Marks 500,000 Flight Hours" [ нерабочая ссылка ] . Американское вертолетное общество. Получено: 25 февраля 2007 г.
  29. ^ "The Boeing Logbook: 1983-1987". Boeing.com. Получено: 25 февраля 2007 г.
  30. ^ "Cierva", рейс : 340, 17 апреля 1947 г.
  31. ^ "Sikorsky Raider X Compound Coaxial Helicopter, United States of America". Army Technology . Получено 2024-05-03 .
  32. ^ Маркус Вайбель. «Квадрокоптер, гексакоптер, октокоптер… БПЛА». IEEE Spectrum, 19.02.2010.
  33. ^ "Справочник по полетам на винтокрылых машинах", стр. 2-1. FAA
  34. ^ Стамате, Михай-Алин; Пупаза, Кристина; Николеску, Флорин-Адриан; Молдовяну, Кристиан-Эмиль (январь 2023 г.). «Улучшение параметров ориентации гексакоптерных БПЛА с использованием систем управления и поддержки принятия решений». Датчики . 23 (3): 1446. Бибкод : 2023Senso..23.1446S. дои : 10.3390/s23031446 . ISSN  1424-8220. ПМЦ 9918963 . ПМИД  36772493. 
  35. ^ "Стрекоза НАСА будет летать вокруг Титана в поисках происхождения и признаков жизни - НАСА" . Получено 2024-05-03 .
  36. ^ "Пилотируемый мультиротор Hexa: он реален, и на нем можно летать". New Atlas . 2018-12-11 . Получено 2024-05-03 .
  37. ^ ab "Первый в мире пилотируемый пилотажный дрон, показан выполняющий петли и бочки". New Atlas . 2020-02-18 . Получено 2024-05-03 .
  38. ^ "Пилотируемый "дрон" поднимается в воздух на выставке". www.farmprogress.com . Получено 2024-05-03 .
  39. ^ Харпал, Арджун (01.04.2024). «Летающие автомобили — или eVTOL — становятся реальностью. Вы бы прокатились на таком?». CNBC . Получено 03.05.2024 .
  40. ^ Хэд, Элан (2024-03-08). "FAA выпускает окончательные критерии летной годности для Joby eVTOL". The Air Current . Получено 2024-05-03 .
  41. ^ abcd "Как Robinson Helicopter пришла к новому дизайну хвоста". Vertical Mag . Получено 2024-04-30 .
  42. ^ Rotorcraft Flying Handbook (PDF) . Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия: Федеральное управление гражданской авиации США . 2000. С. 11–10. ISBN 1-56027-404-2. FAA-8083-21. Архивировано из оригинала (PDF) 2011-06-06.
  43. ^ Аварии, Гордон Гилберт • Автор-; Правила. "'Резкие изменения в управлении' после столкновения с птицей привели к поломке вертолета в полете | AIN". Aviation International News . Получено 30 апреля 2024 г. {{cite web}}: |first1=имеет общее название ( помощь )
  44. ^ «Катастрофа самолета Airbus EC120, зарегистрированного как F-HBKY, 19.07.2023 в Даксе».
  45. ^ Aerossurance (29.04.2022). "Удар хвостом вертолета госпиталя скорой медицинской помощи США". Aerossurance . Получено 30.04.2024 .
  46. ^ Джим Боун (февраль 2004 г.). «Эти ботинки созданы для полетов: лопасти ротора получают новые защитные щитки». Журнал RDECOM . Научно-исследовательское, опытно-конструкторское и инженерное командование армии США (временное). Архивировано из оригинала 18.09.2009 . Получено 04.09.2009 . «Эффект короны» характеризуется характерными светящимися кольцами вдоль металлических или стекловолоконных лопастей ротора, работающих в условиях пустыни.
  47. ^ Мамедов, РК; Мамалимов, РИ; Веттегрень, ВИ; Щербаков, ИП (2009-06-01). "Механолюминесценция оптических материалов с временным разрешением". Журнал оптических технологий . 76 (6): 323. doi :10.1364/jot.76.000323.
  48. ^ Уоррен (Энди) Томас; Шек С. Хонг; Чин-Дже (Майк) Ю; Эдвин Л. Розенцвейг (27.05.2009). "Улучшенная защита от эрозии лопастей ротора: доклад, представленный на 65-м ежегодном форуме Американского вертолетного общества, Грейпвайн, Техас, 27–29 мая 2009 г." (PDF) . Американское вертолетное общество . Архивировано из оригинала (PDF) 20.06.2010 . Получено 02.09.2009 . Вторичная проблема с эрозией металлических абразивных полос касается видимой сигнатуры, которая возникает ... вызывая эффект короны в песчаных средах.
  49. ^ "Office of Naval Research Broad Agency Announcement (BAA): Advanced Helicopter Rotor Erosion Protection" (PDF) . Министерство ВМС США, Управление военно-морских исследований: 3. BAA 08-011. Архивировано из оригинала (PDF) 2009-07-11 . Получено 2009-09-02 . Не менее важной проблемой с защитой от Ti является то, что ночью вокруг лопастей ротора образуется видимая корона или ореол из-за песка, ударяющегося о переднюю кромку Ti и вызывающего искрение и окисление Ti. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  50. ^ «Как военный фотограф назвал явление в честь солдат». petapixel.com . 29 сентября 2016 г. Получено 14 апреля 2020 г.
  51. ^ abcd Лейшман, Дж. Гордон. Принципы аэродинамики вертолета . Серия «Кембриджская аэрокосмическая техника», 18. Кембридж: Издательство Кембриджского университета , 2006. ISBN 978-0-521-85860-1 . стр. 7-9. Веб-выдержка Архивировано 13 июля 2014 г. на Wayback Machine 
  52. ↑ Taking Flight: Inventing the Aerial Age, from Antiquity Through the First World War . Oxford University Press. 8 мая 2003 г. стр. 22–23. ISBN 978-0-19-516035-2.
  53. ^ Джозеф Нидхэм (1965), Наука и цивилизация в Китае: физика и физическая технология, машиностроение Том 4, часть 2, стр. 583-587.
  54. ^ Джон Д. Андерсон (2004). Изобретение полета: братья Райт и их предшественники. JHU Press. стр. 35. ISBN 978-0-8018-6875-7.
  55. ^ Джонсон, Уэйн. Rotorcraft Aeromechanics , стр. 21. Cambridge University Press, 2013.
  56. ^ видео.
  57. ↑ Савин, Александр. «ЦАГИ 1-ЭА». Архивировано 26 января 2009 г. на Wayback Machine ctrl-c.liu.se, 24 марта 1997 г. Получено 12 декабря 2010 г.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Вертолётные винты» .